CN115175824A - 使车辆静止期间的损耗最小化的电动车辆供电系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于电动车辆的电源管理系统，该系统在车辆不使用期间维持对各种车辆“始终开启”的部件和子系统的供电，而不需要低压电池经历频繁的充电/放电循环。该系统使用输出电压较低且以比初级DC/DC转换器更高效率运行的二次DC/DC转换器。作为该系统的结果，低压电池的寿命被延长，并且功率消耗效率被提高，从而最小化汽车停放时的里程损失。

Description

使车辆静止期间的损耗最小化的电动车辆供电系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年2月26日提交的题为“使车辆静止期间的损耗最小化的电动车辆供电系统”的美国专利申请第16/801702号的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明总体涉及电动车辆，更具体地，涉及在汽车静止时优化电动车辆系统的电力输送的系统。
背景技术
为了满足不断上涨的燃油价格和全球变暖的可怕后果所驱动的消费者需求，汽车行业正慢慢开始接受对超低排放、高效率汽车的需求。虽然业内一些人试图通过设计更高效的内燃机来实现这些目标，但其他人正在将混合动力或全电动传动系统纳入他们的车辆阵容。全电动传动系具有多种优势，包括消除车辆污染的主要来源，同时显著降低传动系的复杂性。
不管电动车辆(EV)是使用混合动力还是全电动传动系，在这种汽车中使用的电池组在整个车辆的成本中占很大一部分。除了成本之外，车辆的设计团队和制造商必须考虑各种因素，包括车辆总重量、重量分布、电池组包装尺寸以及车辆所需的性能和行驶里程。
总的来说，所有汽车，无论是采用内燃机(ICE)、混合动力传动系还是全电动传动系，都包括许多“始终开启”的部件和系统。这些部件和系统直接连接到车辆的电源，因此总是处于通电状态。这种部件和系统的示例可以包括电动门锁、电动车窗、电动座椅、内部和外部灯、警报系统、娱乐系统(例如收音机、时钟等)、HVAC风扇、GPS定位服务以及可用于监控车辆和/或电池健康(例如电池组温度、电池组放电等)的各种监控系统。虽然电池的功率消耗可能很小，特别是考虑到典型的EV或混合电池组的尺寸，但如果允许这种消耗持续很长一段时间，例如当用户正在度假并将汽车存放起来时，这种消耗可能会产生意想不到的后果。因此，需要一种电池管理系统，其能够最小化“始终开启”的车辆部件和系统的影响，而不限制它们的使用。本发明提供了这样一种系统。
发明内容
本发明提供了一种电动车辆(EV)电源管理系统，包括(i)高压(HV)电池；(ii)初级DC/DC转换器；(iii)可在接通位置和断开位置之间调节的车辆电源开关，其中当车辆电源开关处于接通位置时，初级DC/DC转换器电连接到HV电池，当车辆电源开关处于接通位置时，初级DC/DC转换器在第一电源线上提供第一电压的第一电源，其中当车辆电源开关处于断开位置时，初级DC/DC转换器与HV电池电断开，并且当车辆电源开关处于断开位置时，初级DC/DC转换器停止在第一电源线上提供第一电源；(iv)二次DC/DC转换器，其中二次DC/DC转换器电连接到HV电池，并且当车辆电源开关处于接通位置和车辆电源开关处于断开位置时都保持电连接到HV电池，其中二次DC/DC转换器在第二电源线上提供第二电压的第二电源，并且其中第二电压低于第一电压；(v)电子控制单元(ECU),其中ECU电连接到至少一个EV电气部件；以及(vi)开关电路，其电连接到ECU，并且配置为在将第一电源线电连接到ECU和将第二电源线电连接到ECU之间进行选择，其中当第一电源线上的第一电压大于第二电源线上的第二电压时，开关电路将第一电源线电连接到ECU，并且当第二电压大于第一电源线上的电压时，开关电路将第二电源线电连接到ECU。开关电路基于电压电平在第一和第二电源线之间进行选择。连接到ECU的EV电气部件优选地选自包括由以下构成的组：电动门锁、电动车窗、电动座椅、内部灯、外部灯、车辆警报系统、车辆娱乐系统、HVAC风扇、GPS系统、安全气囊系统、安全带预张紧器、ABS系统、制动助力器真空泵、转向辅助系统和车辆监控系统。优选地，车辆电源开关确定车辆的运行状态。此外，在至少一个实施例中，由二次DC/DC转换器提供的第二电源的大小能够闭合HV电池接触器。
EV电源管理系统可包括电连接到第一电源线的二次电池，其中二次电池的静止电压小于第一电压，并且其中二次电池的静止电压小于第二电压。开关电路可以配置为当第二电源线上的第二电压大于第一电源线上的电压时，将第二电源线电连接到ECU。开关电路可以配置为当第一电源线上的二次电池的静止电压大于由初级DC/DC转换器提供的第一电源的输出并且第一电源线上的二次电池的静止电压大于由二次DC/DC转换器提供的第二电源的输出时，将第一电源线电连接到ECU。开关电路可以配置为当车辆电源开关处于断开位置并且二次DC/DC转换器中的故障导致二次DC/DC转换器输出小于二次电池的静止电压的电压时，将第一电源线电连接到ECU。开关电路可以配置为当初级DC/DC转换器中的故障导致初级DC/DC转换器输出小于二次电池的静态电压的电压并且二次DC/DC转换器中的故障导致二次DC/DC转换器输出小于二次电池的静态电压的电压时，将第一电源线电连接到ECU。优选地，当车辆电源开关处于接通位置并且初级DC/DC转换器在第一电源线上提供第一电源时，第一电源对二次电池充电。
通过参考说明书的剩余部分和附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
应该理解的是，附图仅仅是为了说明而不是限制本发明的范围，并且不应被认为是成比例的。此外，在多个附图中使用相同的附图标记应被理解为表示相同的部件或类似功能的部件。
图1图示了传统EV中二次电池的循环过程；
图2提供了利用初级和二次DC/DC转换器的示例性电源管理系统的简化示意图；以及
图3提供了利用初级和二次DC/DC转换器以及单个电池源的示例性电源管理系统的简化示意图。
具体实施方式
如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。这里使用的术语“包括”、“包含”及其变体指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。如本文所用，术语“和/或”和符号“/”旨在包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。此外，虽然术语第一、第二等可能在这里被用来描述各种步骤或计算，但这些步骤或计算不应被这些术语所限制，而是这些术语仅仅用来将各个步骤或计算区分开。例如，第一计算可以称为第二计算；类似地，第一步骤可以称为第二步骤；类似地，第一部件可以称为第二部件，所有这些都不脱离本公开的范围。这里使用的术语“电池组”是指一个或多个电互连的电池，以实现期望的电压和容量。术语“电动车辆”和“EV”可以互换使用。
在典型EV中，除了为传动系供电的高压(HV)电池组之外，还使用二次电池来确保为“始终开启”的部件和子系统供电。这种类型的部件和子系统可以包括便利且关键的部件和子系统。典型的便利部件和子系统包括那些即使在车辆不运行时也优选可用的汽车特征，其示例可以包括电动门锁、电动车窗、电动座椅、内部和外部灯、警报系统、娱乐系统(例如收音机、时钟等)、HVAC风扇、GPS定位服务以及可用于监控车辆和/或电池健康的各种监控系统。关键部件和子系统包括那些应始终可运行的汽车功能，即使HV系统遇到故障，比如电池/电池组故障或导致HV电池不可运行的某个其他事件。关键部件和子系统的示例包括紧急照明、安全气囊、安全带预张紧器、ABS系统、制动助力器真空泵和监控关键车辆功能(例如电池组灾难性故障)的监控系统。
在传统EV中，二次电池是标准12VDC电池，与传统非EV车辆中使用的电池相似(如果不是相同的话)。当二次电池被消耗到低于预设电平的电平时，使用车辆的DC到DC转换器，初级HV电池用来给二次电池充电。如果频繁驾驶汽车，且在驾驶之间的休息时间相对较短，例如仅在夜间停车，则二次电池中的电荷水平足以向始终开启的部件和子系统供电。然而，如果二次电池上的负载充分增加，例如由于包括诸如远程移动接入车载系统和/或包括摄像机和记录能力的车载车辆监控和警报系统的特征，则二次电池可能不足以在不被DC/DC转换器充电的情况下提供很长时间的电力。此外，即使具有相对有限数量的辅助始终开启的部件和子系统，二次电池也可能没有足够的电荷来长时间供电(例如在周末或在假期期间)。
当传统EV停放并处于断开模式时，并且一旦二次电池显示出低于预设电平的电荷水平，车辆的控制系统就唤醒初级电力系统，并使用HV电池和DC/DC转换器给二次电池充电。如果由于始终开启的部件和子系统造成的二次电池上的负载足够大，或者如果车辆已经处于这种模式下很长一段时间，系统可能会在充电/放电/充电循环中重复循环。图1图示了该循环过程。线101代表随时间变化的电池电压，向下倾斜的区域103代表电池缓慢放电的周期，向上倾斜的区域105代表二次电池被初级电池和DC-DC转换器充电的周期。线107表示二次电池的最小允许电压，因此是充电循环开始的点。
如图1所示，当汽车不使用时，使二次电池经受频繁的放电和充电循环会产生两个问题。首先，它大大缩短了二次电池的寿命，通常从预期的6年或更长时间缩短到1-2年。第二，考虑到这种循环过程固有损耗，效率约为50％，其使用消耗的初级电池组比所保证的要多，这反过来不必要地减少了车辆里程。
本发明通过将二次DC/DC转换器集成到EV的电源管理系统中来克服频繁放电/充电循环的影响。图2示出了示例性电源管理系统200的简化示意图。如图所示，电源管理系统200包括初级HV电池201和二次低压电池203。通常，电池203是12VDC电池，类似于或等同于传统的汽车电池。初级DC/DC转换器205执行与传统EV中的DC/DC转换器相同或相似的功能，将来自HV电池201的输出转换成适合于各种车辆系统的电压，包括牵引马达控制器(未示出)。开关206确定初级DC/DC转换器205是否电连接到HV电池201。开关206与电源开关相同或直接与之连接，电源开关确定车辆的运行状态，即车辆当前是“开”还是“关”。开关206可以由多种技术中的任何一种来控制，例如通过将钥匙转到“开”或“关”位置；替代地，按下位于仪表板、中央控制台或其他地方的“开”按钮；或者，替代地使用密钥卡等。
在本发明的至少一个实施例中，HV电池201的输出约为950VDC，二次电池203的输出约为12VDC(静止电压约为12.7VDC)，DC/DC转换器205的输出约为14.4VDC。这样，在EV的正常运行期间，即当开关206处于“开”位置时，HV电池201通过DC/DC转换器205和电子控制单元(ECU)207向始终开启的车辆系统供电。ECU207选择性地向联接到ECU的部件和系统(未示出)供电。应当理解，ECU207可以由多个ECU构成，每个ECU单独连接到电源管理系统，或者由选择性地向各种车辆系统供电的单个ECU构成。除了经由ECU207向车辆系统供电之外，DC/DC转换器205对二次电池203充电并保持电荷水平。如在传统EV中，即使在DC/DC转换器205或初级电池源即HV电池201中出现故障，二次电池203也确保连接到ECU207的那些部件和子系统可获得电力。虽然这种形式的电池冗余对于便利型始终开启的汽车特征来说不是绝对必要的，但对于一些关键的车辆系统来说是优选的，比如制动和转向辅助系统以及关键的安全系统，比如安全气囊和安全带张紧器。
根据本发明，电源管理系统200包括二次DC/DC转换器209。二次DC/DC转换器209比初级DC/DC转换器205更高效，并且输出低于初级DC/DC转换器205且高于二次电池203的电压电平，优选地输出约13.5VDC的电压。如图所示，优选由简单二极管电路构成的开关电路211通过选择提供最高电压的电源来确定哪个电源联接到ECU207。因此，当汽车处于“开”模式时(即开关206处于“开”位置，允许正常的车辆操作，电力被供应到初级DC/DC转换器205)，开关电路211经由初级DC/DC转换器205(即电源线213)将ECU207联接到HV电池201。当汽车处于“关”或静止模式时(即开关206处于“关”位置，并且初级DC/DC转换器205没有联接到HV电池201)，初级DC/DC转换器205不再向线213供电。结果，线213上的电压下降到二次电池203的电压，导致开关电路211通过二次DC/DC转换器209将ECU207联接到初级电池组201。应当理解，在该实施例中，如果二次DC/DC转换器发生故障，并且在二次DC/DC转换器209或HV电池组203中存在灾难性故障，则辅助电池203保持对ECU207的供电，从而确保连接到ECU207的那些部件和子系统(例如关键部件和子系统)保持供电。
在优选实施例中，二次DC/DC转换器提供高达3-5安培的恒定13.5VDC。假定二次DC/DC转换器209与转换器205相比具有高得多的效率，则HV电池201上的功率消耗远小于与传统EV中采用的充电/放电循环方法相关的功率消耗。通过减少HV电池201上的功率消耗，基于从电池201可获得的功率的EV的范围受到的影响比由传统循环方法导致的影响小。此外，通过显著减少电池203的充电/放电循环，其寿命不会像在传统方法中那样缩短。
在传统EV中，二次电池(即12VDC电池)用于闭合HV电池上的接触器。这种方法的结果是，如果二次电池完全放电，当二次电池经历上述充电/放电循环时，这更可能发生在长时间的静止期间，则EV可能不能启动。因此，图2中所示的系统的额外益处在于，假设二次DC/DC转换器的大小被设定为能够提供闭合接触器所需的电力，则通过使用经由电源线215上的二次DC/DC转换器209供应的电力，HV电池201可以用于闭合HV电池上的接触器。
如上所述，在本发明的优选实施例中，电力系统中包括二次电池203，以确保如果初级HV电池201或初级DC/DC转换器205发生灾难性故障，至少关键的车辆子系统可以获得电力。然而，应该理解的是，由于使用了二次DC/DC转换器209，所以不需要二次电池来运行EV电力系统，包括始终开启的系统。图3示出了这种配置。如图所示，当汽车处于“开”模式时，给ECU207的电力经由线213而来自初级DC/DC转换器205。当汽车处于“关”模式(即静止模式)时，开关电路211通过线215经由较小的二次DC/DC转换器209将ECU 207连接到HV电池。
已经概括地描述了系统和方法，以帮助理解本发明的细节。在一些情况下，没有具体示出或详细描述公知的结构、材料和/或操作，以避免模糊本发明的各方面。在其他情况下，为了提供对本发明的全面理解，已经给出了具体细节。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以其他特定形式实施，例如以适应特定的系统或设备或情况或材料或部件。因此，本文的公开和描述旨在说明而非限制本发明的范围。

Claims (11)

1.一种电动车辆(EV)电源管理系统，包括：
高压(HV)电池；
初级DC/DC转换器；
可在接通位置和断开位置之间调节的车辆电源开关，其中当所述车辆电源开关处于所述接通位置时，所述初级DC/DC转换器电连接到所述HV电池，其中当所述车辆电源开关处于所述接通位置时，所述初级DC/DC转换器在第一电源线上提供第一电压的第一电源，其中当所述车辆电源开关处于所述断开位置时，所述初级DC/DC转换器与所述HV电池电断开，并且其中当所述车辆电源开关处于所述断开位置时，所述初级DC/DC转换器停止在所述第一电源线上提供所述第一电源；
二次DC/DC转换器，其中所述二次DC/DC转换器电连接到所述HV电池，并且在所述车辆电源开关处于所述接通位置和所述车辆电源开关处于所述断开位置时都保持电连接到所述HV电池，其中所述二次DC/DC转换器在第二电源线上提供第二电压的第二电源，并且其中所述第二电压低于所述第一电压；
电子控制单元(ECU)，其中所述ECU电连接到至少一个EV电气部件；以及
开关电路，其电连接到所述ECU，并且配置为在将所述第一电源线电连接到所述ECU和将所述第二电源线电连接到所述ECU之间进行选择，其中当所述第一电源线上的所述第一电压大于所述第二电源线上的所述第二电压时，所述开关电路将所述第一电源线电连接到所述ECU，并且其中当所述第二电压大于所述第一电源线上的电压时，所述开关电路将所述第二电源线电连接到所述ECU。
2.根据权利要求1所述的EV电源管理系统，其中，所述开关电路基于电压电平在所述第一电源线和所述第二电源线之间进行选择。
3.根据权利要求2所述的EV电源管理系统，还包括电连接到所述第一电源线的二次电池，其中，所述二次电池的静止电压小于所述第一电压，并且其中，所述二次电池的所述静止电压小于所述第二电压。
4.根据权利要求3所述的EV电源管理系统，其中，当所述第二电源线上的所述第二电压大于所述第一电源线上的所述电压时，所述开关电路将所述第二电源线电连接到所述ECU。
5.根据权利要求3所述的EV电源管理系统，其中，当所述第一电源线上的所述二次电池的所述静止电压大于由所述初级DC/DC转换器提供的所述第一电源的输出，并且所述第一电源线上的所述二次电池的所述静止电压大于由所述二次DC/DC转换器提供的所述第二电源的输出时，所述开关电路将所述第一电源线电连接到所述ECU。
6.根据权利要求3所述的EV电源管理系统，其中，当所述车辆电源开关处于所述断开位置并且所述二次DC/DC转换器中的故障导致所述二次DC/DC转换器输出小于所述二次电池的所述静止电压的电压时，所述开关电路将所述第一电源线电连接到所述ECU。
7.根据权利要求3所述的EV电源管理系统，其中，当所述初级DC/DC转换器中的故障导致所述初级DC/DC转换器输出小于所述二次电池的所述静止电压的电压并且所述二次DC/DC转换器中的故障导致所述二次DC/DC转换器输出小于所述二次电池的所述静止电压的电压时，所述开关电路将所述第一电源线电连接到所述ECU。
8.根据权利要求3所述的EV电源管理系统，其中，当所述车辆电源开关处于所述接通位置并且所述初级DC/DC转换器在所述第一电源线上提供所述第一电源时，所述第一电源对所述二次电池充电。
9.根据权利要求2所述的EV电源管理系统，所述至少一个电动车辆电气部件选自由以下构成的组：电动门锁、电动车窗、电动座椅、内部灯、外部灯、车辆警报系统、车辆娱乐系统、HVAC风扇、GPS系统、气囊系统、安全带预张紧器、ABS系统、制动助力器真空泵、转向辅助系统和车辆监控系统。
10.根据权利要求2所述的EV电源管理系统，其中，所述车辆电源开关确定车辆运行状态。
11.根据权利要求2所述的EV电源管理系统，其中，由所述二次DC/DC转换器提供的所述第二电源能够闭合一组HV电池接触器。
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